基于EH-4的采空区积水探测与治理*

孙允聪，张婷婷，张宏伟，陈蓥，朱志洁

(1.昆明工业职业技术学院 建筑工程学院，云南 昆明 650302；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新市 123000)

阳湾沟煤矿6203 工作面6 号煤层上覆先采采空区积水，为保证安全开采，应用EH-4 地球物理勘探方法在地表进行了采空区探测，查明采空区范围，推测出采空区积水的流向和区域，为探放水钻孔的设计提供依据，并根据煤层厚度变化趋势采取合适的探放水方法，在煤层底板标高较低的区域采取超前探放水和一次探放水，随煤层底板标高的升高采取分段探放水[1]。综合前人采空区探测经验与采空区探放水实践，从现场放出的采空区积水来看，应用EH-4 采空区探测和采取的探放水方案是行之有效的。

1 采空区地表EH-4 探测

阳湾沟煤矿6203 工作面6 号煤层位于太原组上部，煤层厚度为12.22～19.76 m，平均16.89 m，总趋势由北往南、从东到西逐渐增厚。矿井现在生产时正常涌水量为10～15 m3/d，确定矿井正常涌水量为30 m3/d，最大涌水量为60 m3/d。井田水文地质类型划分为第二类第一型，即以裂隙充水含水层为主的水文地质条件简单型。采空区积水水源可分为3 部分：排到地表的矿井水中的一部分渗入采空区，其量为矿井生产期间排到地表的水量减去现地表存积水量，即为渗入到地下采空区的水量；上覆岩层裂隙水涌入采空区；降雨降雪的渗流补给。

工作面采用2 条巷道布置方式，回风巷担负工作面辅助材料运输，兼回风；运输巷担负工作面煤炭运输，兼进风。6203 工作面采用综采放顶煤一次采全煤回采工艺，各巷道均为沿煤层底板掘进。6203 工作面运输顺槽已施工完毕，在切眼、回风顺槽掘进过程中要进行积极的探放水。工作面布置如图1 所示。

EH-4 通过发射和接收地面电磁波来达到电阻率或电导率的探测[1−2]。连续的测深点阵组成地下二维电阻率剖面，甚至三维立体电阻率成像，具有较高的分辨率和较深勘探深度，勘探深度在1000 m以上[3−4]，是煤田水文地质勘探的首选方法[5−9]。

1.1 地表测线布置与EH-4 现场探测方案

本次野外探测共布置了3 条测线，如图1 所示，其中1#测线方位为NE28°，长度为140 m，极距为20 m，共8 个测点；2#测线方位为NE29°，极距为20 m，长度为160 m，共9 个测点；3#测线方位为NE81°，长度为90 m，极距为10 m，共10 个测点。对应原6203 采空区。为能准确确定采空区的形态与属性，测线长度尽可能覆盖采空区的范围，3#测线由于地形限制，地表障碍物较多，长度不足，不能满足精度要求。所以最终有效测线为1#测线和2#测线。

图1 工作面与地表EH-4 测线布置

在满足探测目的的前提下，兼顾现场方案实施的方便性和可操作性，对采空区对应的地面区域进行了实地考察，将测线尽量布置在地形平缓的区域，减少地形对探测精度的影响。

对数据质量不好的测点采取多次叠加或是重复测量，目的是确保采集数据的真实可靠，能够准确反映地下围岩体电阻率的变化情况，为后期的数据处理与图像解译奠定基础。通过现场监测，此次采集的数据质量合格率为90%～95%，满足探测精度的要求。

1.2 EH-4 采空区探测结果与分析

对2 条有效测线进行了数据处理和分析，如图2 所示。将测量数据结合地质、水文及钻探资料，对探测结果进行分析，可得出以下结论。

1#测线探测区域为原6201 工作面采空区，采高约16 m，面积约7200 m2，测线长度为140 m，从20 m 测点开始进入采空区。从图2 可以看出，在水平方向0～140 m，标高+1060～+1180 m 之间有高阻异常区（图2（c）中红色虚线所示），煤层上方50 m 范围内电阻率等值线稀疏，且煤层处有高阻闭合圈，说明在此范围内岩层垮落后，岩块相互铰接支撑，形成了较大的未被填实的空间，使该范围的电阻率值最大。煤层上方50～100 m 范围内虽电阻率值较高，但等值线分布较为密集，推断该范围为工作面上覆岩层形成的裂隙区且已被压实。异常区域范围与采空区范围基本吻合，推断此高阻异常区为工作面开采后形成的垮落带与裂隙带，影响高度约120 m，由电阻率值判断沿测线方向上采空区内没有积水。

2#测线探测区域为原6202 工作面采空区，采高约16 m，面积约8800 m2，测线长度为160 m，从40 m 测点开始进入采空区。从图2（d）可以看出，在水平方向80～160 m，标高+1060～+1200 m之间有一高阻异常区（图中红色虚线所示），煤层上方60 m 范围内电阻率等值线稀疏，且煤层处有高阻闭合圈，说明在此范围内岩层垮落后，岩块相互铰接支撑，形成了较大的未被填实的空间，使该处的电阻率值最大。煤层上方60～120 m 范围内虽电阻率值较高，但等值线分布较为密集，推断该范围为工作面上覆岩层形成的裂隙区且已被压实。异常区域范围与采空区范围基本吻合，推断此高阻异常区为工作面开采后形成的垮落带与裂隙带，影响高度约140 m，由电阻率值判断沿测线方向上采空区内没有积水。

图2 1#、2#测线对应的煤层底板形态与大地电阻率二维反演图

1.3 6203 采空区积水地质条件分析

本区煤系地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组，岩性由砂岩、泥岩、黏土岩、砂质泥岩、煤层等组成，各岩层不同程度发育有裂隙，尚有一定的充水空间。但区内各煤层直接充水含水层富水性弱（单位涌水量q<0.1 L/（s·m）），其补给来源以贫乏的大气降水为主。

由于本区冲沟发育，地形及沟底坡度大，气候干燥，蒸发强烈，降水量小且高度集中，地表大部被厚层黄土覆盖，黄土渗透性能差，基岩裂隙虽然比较发育，但其出露面积小，故大气降水易形成洪水迅速排出区外，能渗入到地下是其一小部分；侧向径流补给受含水层导水性限制，补给量不足。上述因素均不利于矿床充水，是造成本区含煤地层地下水位深、涌水量小的主要原因。煤系地层的沉积基底—奥陶系白云质灰岩富水性弱，涌水量小，没有断层构成地下水通道；本区与黄河相距较远，石炭系上统本溪组底部发育有隔水的黏土岩，黄河水不易经奥陶系白云质灰岩补给煤系地层。据此将井田水文地质类型划分为以裂隙充水含水层为主的水文地质条件简单型。

阳湾沟煤矿生产期间，矿井水排出囤积于靠近采空区的地表低洼区。所以，分析采空区积水水源为：排到地表的矿井水中的一部分渗入采空区，其量为矿井生产期间排到地表的水量减去现地表存积水量，即为渗入到地下采空区的水量；上覆岩层裂隙水涌入采空区；降雨降雪的渗流补给。

采空区老塘水多以静储量为主，就像是一个个地下水库，若发生突水，在短时间内有大量积水、煤泥涌出，来势凶猛，破坏性很强。

阳湾沟煤矿即将开采的6203 工作面在6 煤层底板向上5 m 的夹矸层布置，周围有房采采空区，采空区中可能有积水。6203 工作面切眼上方，靠近井田边界侧的采空区标高较低，预计有的采空区内有积水。为了安全开采6203 工作面，6203 工作面在掘进和回采前，需对上方采空区进行探放水工作。

2 地下采空区探放水方案

根据已查明采空区范围和煤层厚度变化趋势，制定探水方案：开切眼为6203 区标高最低处，在此处采取超前探放水和一次探放水，如果不能把积水全部放出，回风顺槽随煤层底板标高的升高可采取分段探放水。沿开切眼掘进，布置探水孔，掘到警戒线后，布置第一个钻场，随着水位的下降，沿开切眼每掘25 m 布置一个钻场，每个钻场设计3个孔，钻孔孔径65 mm 左右。钻孔呈扇形布置，全部控制上部采空区，一个方位布置3 个钻孔，钻孔开孔孔口间距和排距不小于0.5 m。终孔控制积水区下部、中部和上部，下部钻孔终孔位置一般为采空区底部浮煤上部。钻孔设计深度60～90 m（见图3）。

图3 6203 采空区开切眼探水钻孔布置

放水方案设计依据水文地质规程要求、采区地质条件、空区积水高度等[10−11]：放水钻孔的直径一般为50～75 mm，孔口设有法兰盘，套管采用水泥浆固管，48 h 后扫孔并做打压实验，压力不低于2 MPa，稳定30 min 检测达不到质量要求者需重新固管，孔口管及套管的外露长度≤300 mm；钻孔过程中尤其是达到终孔设计位置3 m 时，有专人及时检查钻孔内的瓦斯和其他有害气体浓度并作好记录，浓度超限时必须停止钻进，进行处理，要始终控制在正常值以内；探放水与掘进施工采取先探后掘的原则，1 次施工疏放1 处上覆采空区积水，待此处采空区积水全部疏放再施工下一处放水孔；放水钻孔落孔点应位于采空区最低洼处。

3 结论

（1）EH-4 采空区探测对含水、导水构造等低阻体反应敏感，而不含水的采空区大多是高阻，所以可较为准确地圈出含水构造和积水采空区的边界和范围，以及不含水采空区的界限[12−13]。

（2）探测结果解译是建立在多项数据处理后的图像分析基础上，研究电磁场在大地中的空间分布特征及规律，并利用这些特征与规律识别大地的电性结构，推断异常形态、部位、产状等，定性划分地层，圈定不良地质体的发育区等，解译过程中应结合地质、水文及钻探资料，以提高解译的准确性[14−16]。

（3）根据探测结果推断6203 房采采空区存在老空积水，据此合理设计探放水方案，在6203 开切眼布置3 组钻场，进行超前探放水，探50 m 掘30 m 保证钻孔超前距不少于20 m，并在第二组钻场中7 天内放出老空积水1000 m3，积水有持续放出的趋势，验证了探测结果。